JP4154978B2 - 他元素添加カーボンナノチューブのガス吸着能の予測方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カーボンナノチューブに他元素を添加した際のガス吸着能に対する向上効果を予測する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カーボンナノチューブは、ガス吸着能が極めて高く、ガス吸蔵材料として有望なため、これまで種々の観点から開発が進められている。
【０００３】
１つの開発観点として、カーボンナノチューブに炭素以外の元素を添加して、ガス吸着能を更に高めることが行なわれている。
【０００４】
その際、種々の添加元素を実際に添加してカーボンナノチューブを作製し、種々の条件下で吸着能を測定することは、極めて大きな開発コストと開発時間を必要とする。種々の吸着対象ガスについて同様の測定を行なおうとすれば、更に大きなコストと時間を要する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、効率的に開発を進められるように、実際に他元素添加カーボンナノチューブの作製およびガス吸着能の測定を行なう前に、種々の他元素についてガス吸着能に対する添加効果を予め予測する方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、カーボンナノチューブに添加した他元素によるガス吸着能の向上効果を予測する方法であって、
ベンゼン環数量体ＣｘＨｙの近傍に添加元素Ｍｅの原子および吸着対象ガスＧの分子または原子を配置した構造モデルを用い、ベンゼン環数量体ＣｘＨｙと添加元素Ｍｅと吸着対象ガスＧとの相互作用によってこれら３者の各々に生ずる電荷と、ベンゼン環数量体ＣｘＨｙと添加元素Ｍｅとの間および添加元素Ｍｅと吸着対象ガスＧとの間にそれぞれ働く結合力とを、それぞれ量子力学計算により求め、上記各電荷の符号および絶対値と上記各結合力とに基づき、上記ガスの吸着能に対する添加元素による向上効果を予測する方法が提供される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実際のカーボンナノチューブの構造は、図１に示すように多数のベンゼン環が連なってチューブ壁を構成している（各球体はそれぞれ炭素原子を表し、球体間を繋ぐ棒状部分は炭素原子の結合手を表す）。このような構造をそのまま用いて他元素添加の効果を見積もろうとすると、添加元素をどこに、何個、どのように配置するかということが先ず問題となる。更に、この問題が解決されたとしても、図１のような実際の構造をそのまま反映した構造モデルは巨大となり、このモデルを用いて量子力学計算を行なうことは現実的に極めて困難になる。
【０００８】
本発明は、上記の問題を解決すべく、カーボンナノチューブも局所的に見ればベンゼン環数量体ＣｘＨｙで近似可能であるから、添加元素Ｍｅの原子および吸着対象ガスＧの分子または原子を上記ベンゼン環数量体ＣｘＨｙの近傍に配置した構造モデルを用いれば、実際のカーボンナノチューブ構造内で添加元素Ｍｅおよび吸着対象ガスＧが受けるのと同様の相互作用を受けるはずである、との考えに基づいている。
【０００９】
更に、吸着能の判定因子として、ベンゼン環数量体ＣｘＨｙと添加元素Ｍｅと吸着対象ガスＧとの相互作用によってこれら３者の各々に生ずる電荷と２者間に働く結合力とを、それぞれ量子力学計算により求めるのは、下記の理由による。
【００１０】
すなわち、吸着能向上効果の高い添加元素は、下記の条件を満たすと考えた。
【００１１】
（１）添加元素Ｍｅがベンゼン環数量体ＣｘＨｙの近傍に凝集される。
【００１２】
（２）凝集された添加元素Ｍｅがベンゼン環数量体ＣｘＨｙに固着される。
【００１３】
（３）吸着対象ガスＧが添加元素Ｍｅの近傍に凝集される。
【００１４】
（４）凝集された吸着対象ガスＧが添加元素Ｍｅに固着される。
【００１５】
ここで、（１）（３）は、ＣｘＨｙ／Ｍｅ／Ｇの３者間の相互作用で３者にそれぞれ生ずる電荷ＱCxHy、ＱMe、ＱGによって２者間に作用するクーロン力に依存しており、（１）電荷ＱCxHyと電荷ＱMeとが異符号で絶対値が大きいほど、（３）電荷ＱMeと電荷ＱGとが異符号で絶対値が大きいほど、それぞれ遠方まで作用するクーロン力すなわち凝集力が大きいため、（１）ＣｘＨｙ／Ｍｅ間および（３）Ｍｅ／Ｇ間の凝集力が大きいと判断できる。
【００１６】
また、（２）（４）は、ＣｘＨｙ／Ｍｅ／Ｇの３者間の相互作用で２者間に働く結合力に依存しており、（２）ＣｘＨｙ／Ｍｅ間に働く結合力が大きいほど、（４）Ｍｅ／Ｇ間に働く結合力が大きいほど、それぞれ近傍で作用する共有結合力すなわち固着力が大きいため、（２）ＣｘＨｙ／Ｍｅ間および（４）Ｍｅ／Ｇ間の固着力が大きいと判断できる。
【００１７】
このように本発明は、ベンゼン環数量体ＣｘＨｙをカーボンナノチューブの構造モデルとして用い、このモデルによって近似したカーボンナノチューブと添加元素および吸着対象ガスとの凝集力および固着力によって、カーボンナノチューブのガス吸着能に対する元素添加効果を評価するものである。
【００１８】
本発明の典型的な実施形態において、構造モデルの中心位置のベンゼン環の幾何中心から真上に、添加元素Ｍｅの原子半径＋Ｃの原子半径だけ離れた位置に添加元素Ｍｅを配置する。
【００１９】
ただし、本発明は上記の実施形態に限定する必要はなく、上記構造モデルに更に添加元素の水平方向（ベンゼン環数量体ＣｘＨｙで規定される平面の方向）等に、添加元素Ｍｅの原子半径×２だけ離れた位置にもう１つあるいは２つ以上の添加元素Ｍｅの原子を配置し、これら複数の原子を添加元素Ｍｅのクラスターとみなす、等の方法も可能である。
【００２０】
【実施例】
本発明の方法により、Ｐｔ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃｓ、Ｒｂ、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉのいずれかをカーボンナノチューブに添加したことによる、水素ガス（Ｈ）に対する吸着能の向上効果を求めた。用いた構造モデルを図２に示す。
【００２１】
図２（Ａ）に示すように、ベンゼン環数量体ＣｘＨｙの中心位置のベンゼン環の幾何中心から真上に、添加元素Ｍｅの原子半径＋Ｃの原子半径だけ離れた位置に添加元素Ｍｅを配置し、更にその上に吸着対象ガスＧである水素Ｈの原子を配置する。
【００２２】
図２（Ａ）の矢印Ａの向きから見た平面配置を図２（Ｂ）に示す。ベンゼン環数量体ＣｘＨｙの外縁部に配置したＨは、実際のカーボンナノチューブから一部を取り出すと外縁部はＣの結合手が１つ余るため、これを塞いで計算を可能にするためのものである。計算結果をまとめて図３〜図６に示す。
【００２３】
図３は、添加元素Ｍｅに生ずる電荷ＱMeの絶対値および符号（図中〇プロット）とベンゼン環数量体ＣｘＨｙに生ずる電荷ＱCxHyの絶対値および符号（●プロット）を示す。既に説明したように、両者に生ずる電荷ＱMeとＱCxHyが異符号で絶対値が大きいほど、遠方まで作用するクーロン力による凝集力が大きい。
【００２４】
図４は、添加元素Ｍｅとベンゼン環数量体ＣｘＨｙとの間の近傍で作用する共有結合力（共有結合電荷）すなわち両者間の固着力の大きさを示している。図中で結合力の値が正であれば両者間に引力が働き、負であれば反力が働く。結合力が大きな正の値であれば大きな固着力が得られる。
【００２５】
図３の凝集力および図４の固着力が大きいほど、添加元素Ｍｅはベンゼン環数量体ＣｘＨｙに強く凝集および固着され、安定してベンゼン環数量体ＣｘＨｙに存在できる。
【００２６】
図５は、添加元素Ｍｅに生ずる電荷ＱMeの絶対値および符号（図中〇プロット）と吸着対象ガスである水素Ｈに生ずる電荷ＱHの絶対値および符号（●プロット）を示す。この場合も上記と同様に、両者に生ずる電荷ＱMeとＱHが異符号で絶対値が大きいほど、遠方まで作用するクーロン力による凝集力が大きい。
【００２７】
図６は、添加元素Ｍｅと吸着対象ガスである水素Ｈとの間の近傍で作用する共有結合力（共有結合電荷）すなわち両者間の固着力の大きさを示している。図中で結合力の値が正であれば両者間に引力が働き、負であれば反力が働く。結合力が大きな正の値であれば大きな固着力が得られる。
【００２８】
図５の凝集力および図６の固着力が大きいほど、吸着対象ガスである水素Ｈは添加元素Ｍｅに強く凝集および固着され、多量の水素Ｈの吸着が可能になる。
【００２９】
図３〜図６に示した種々の添加元素Ｍｅについての計算結果を上記の観点から総合的に判断した結果、カーボンナノチューブの水素吸着能の向上にとって、添加元素ＭｅとしてＲｈ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｍｇが特に有効であるとの予測を得た。
【００３０】
これらの元素を添加したカーボンナノチューブは、無添加のカーボンナノチューブに比べて２倍程度水素吸着能が向上することも実験により確認した。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、効率的に開発を進められるように、実際に他元素添加カーボンナノチューブの作製およびガス吸着能の測定を行なう前に、種々の他元素についてガス吸着能に対する添加効果を予め予測する方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、カーボンナノチューブの立体構造を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明による計算に用いるベンゼン環数量体モデルの一例を示す（Ａ）正面図および（Ｂ）平面図である。
【図３】図３は、図２のモデルを用いて計算した添加元素Ｍｅの電荷（〇）とベンゼン環数量体ＣｘＨｙ種々の電荷（●）との対応を示すグラフである。
【図４】図４は、図２のモデルを用いて計算したベンゼン環数量体ＣｘＨｙに対する添加元素Ｍｅの固着力を示すグラフである。
【図５】図５は、図２のモデルを用いて計算した添加元素Ｍｅの電荷（〇）と水素Ｈの電荷（●）との対応を示すグラフである。
【図６】図６は、図２のモデルを用いて計算した水素Ｈに対する添加元素Ｍｅの固着力を示すグラフである。
【発明の属する技術分野】
本発明は、カーボンナノチューブに他元素を添加した際のガス吸着能に対する向上効果を予測する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カーボンナノチューブは、ガス吸着能が極めて高く、ガス吸蔵材料として有望なため、これまで種々の観点から開発が進められている。
【０００３】
１つの開発観点として、カーボンナノチューブに炭素以外の元素を添加して、ガス吸着能を更に高めることが行なわれている。
【０００４】
その際、種々の添加元素を実際に添加してカーボンナノチューブを作製し、種々の条件下で吸着能を測定することは、極めて大きな開発コストと開発時間を必要とする。種々の吸着対象ガスについて同様の測定を行なおうとすれば、更に大きなコストと時間を要する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、効率的に開発を進められるように、実際に他元素添加カーボンナノチューブの作製およびガス吸着能の測定を行なう前に、種々の他元素についてガス吸着能に対する添加効果を予め予測する方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、カーボンナノチューブに添加した他元素によるガス吸着能の向上効果を予測する方法であって、
ベンゼン環数量体ＣｘＨｙの近傍に添加元素Ｍｅの原子および吸着対象ガスＧの分子または原子を配置した構造モデルを用い、ベンゼン環数量体ＣｘＨｙと添加元素Ｍｅと吸着対象ガスＧとの相互作用によってこれら３者の各々に生ずる電荷と、ベンゼン環数量体ＣｘＨｙと添加元素Ｍｅとの間および添加元素Ｍｅと吸着対象ガスＧとの間にそれぞれ働く結合力とを、それぞれ量子力学計算により求め、上記各電荷の符号および絶対値と上記各結合力とに基づき、上記ガスの吸着能に対する添加元素による向上効果を予測する方法が提供される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実際のカーボンナノチューブの構造は、図１に示すように多数のベンゼン環が連なってチューブ壁を構成している（各球体はそれぞれ炭素原子を表し、球体間を繋ぐ棒状部分は炭素原子の結合手を表す）。このような構造をそのまま用いて他元素添加の効果を見積もろうとすると、添加元素をどこに、何個、どのように配置するかということが先ず問題となる。更に、この問題が解決されたとしても、図１のような実際の構造をそのまま反映した構造モデルは巨大となり、このモデルを用いて量子力学計算を行なうことは現実的に極めて困難になる。
【０００８】
本発明は、上記の問題を解決すべく、カーボンナノチューブも局所的に見ればベンゼン環数量体ＣｘＨｙで近似可能であるから、添加元素Ｍｅの原子および吸着対象ガスＧの分子または原子を上記ベンゼン環数量体ＣｘＨｙの近傍に配置した構造モデルを用いれば、実際のカーボンナノチューブ構造内で添加元素Ｍｅおよび吸着対象ガスＧが受けるのと同様の相互作用を受けるはずである、との考えに基づいている。
【０００９】
更に、吸着能の判定因子として、ベンゼン環数量体ＣｘＨｙと添加元素Ｍｅと吸着対象ガスＧとの相互作用によってこれら３者の各々に生ずる電荷と２者間に働く結合力とを、それぞれ量子力学計算により求めるのは、下記の理由による。
【００１０】
すなわち、吸着能向上効果の高い添加元素は、下記の条件を満たすと考えた。
【００１１】
（１）添加元素Ｍｅがベンゼン環数量体ＣｘＨｙの近傍に凝集される。
【００１２】
（２）凝集された添加元素Ｍｅがベンゼン環数量体ＣｘＨｙに固着される。
【００１３】
（３）吸着対象ガスＧが添加元素Ｍｅの近傍に凝集される。
【００１４】
（４）凝集された吸着対象ガスＧが添加元素Ｍｅに固着される。
【００１５】
ここで、（１）（３）は、ＣｘＨｙ／Ｍｅ／Ｇの３者間の相互作用で３者にそれぞれ生ずる電荷ＱCxHy、ＱMe、ＱGによって２者間に作用するクーロン力に依存しており、（１）電荷ＱCxHyと電荷ＱMeとが異符号で絶対値が大きいほど、（３）電荷ＱMeと電荷ＱGとが異符号で絶対値が大きいほど、それぞれ遠方まで作用するクーロン力すなわち凝集力が大きいため、（１）ＣｘＨｙ／Ｍｅ間および（３）Ｍｅ／Ｇ間の凝集力が大きいと判断できる。
【００１６】
また、（２）（４）は、ＣｘＨｙ／Ｍｅ／Ｇの３者間の相互作用で２者間に働く結合力に依存しており、（２）ＣｘＨｙ／Ｍｅ間に働く結合力が大きいほど、（４）Ｍｅ／Ｇ間に働く結合力が大きいほど、それぞれ近傍で作用する共有結合力すなわち固着力が大きいため、（２）ＣｘＨｙ／Ｍｅ間および（４）Ｍｅ／Ｇ間の固着力が大きいと判断できる。
【００１７】
このように本発明は、ベンゼン環数量体ＣｘＨｙをカーボンナノチューブの構造モデルとして用い、このモデルによって近似したカーボンナノチューブと添加元素および吸着対象ガスとの凝集力および固着力によって、カーボンナノチューブのガス吸着能に対する元素添加効果を評価するものである。
【００１８】
本発明の典型的な実施形態において、構造モデルの中心位置のベンゼン環の幾何中心から真上に、添加元素Ｍｅの原子半径＋Ｃの原子半径だけ離れた位置に添加元素Ｍｅを配置する。
【００１９】
ただし、本発明は上記の実施形態に限定する必要はなく、上記構造モデルに更に添加元素の水平方向（ベンゼン環数量体ＣｘＨｙで規定される平面の方向）等に、添加元素Ｍｅの原子半径×２だけ離れた位置にもう１つあるいは２つ以上の添加元素Ｍｅの原子を配置し、これら複数の原子を添加元素Ｍｅのクラスターとみなす、等の方法も可能である。
【００２０】
【実施例】
本発明の方法により、Ｐｔ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃｓ、Ｒｂ、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉのいずれかをカーボンナノチューブに添加したことによる、水素ガス（Ｈ）に対する吸着能の向上効果を求めた。用いた構造モデルを図２に示す。
【００２１】
図２（Ａ）に示すように、ベンゼン環数量体ＣｘＨｙの中心位置のベンゼン環の幾何中心から真上に、添加元素Ｍｅの原子半径＋Ｃの原子半径だけ離れた位置に添加元素Ｍｅを配置し、更にその上に吸着対象ガスＧである水素Ｈの原子を配置する。
【００２２】
図２（Ａ）の矢印Ａの向きから見た平面配置を図２（Ｂ）に示す。ベンゼン環数量体ＣｘＨｙの外縁部に配置したＨは、実際のカーボンナノチューブから一部を取り出すと外縁部はＣの結合手が１つ余るため、これを塞いで計算を可能にするためのものである。計算結果をまとめて図３〜図６に示す。
【００２３】
図３は、添加元素Ｍｅに生ずる電荷ＱMeの絶対値および符号（図中〇プロット）とベンゼン環数量体ＣｘＨｙに生ずる電荷ＱCxHyの絶対値および符号（●プロット）を示す。既に説明したように、両者に生ずる電荷ＱMeとＱCxHyが異符号で絶対値が大きいほど、遠方まで作用するクーロン力による凝集力が大きい。
【００２４】
図４は、添加元素Ｍｅとベンゼン環数量体ＣｘＨｙとの間の近傍で作用する共有結合力（共有結合電荷）すなわち両者間の固着力の大きさを示している。図中で結合力の値が正であれば両者間に引力が働き、負であれば反力が働く。結合力が大きな正の値であれば大きな固着力が得られる。
【００２５】
図３の凝集力および図４の固着力が大きいほど、添加元素Ｍｅはベンゼン環数量体ＣｘＨｙに強く凝集および固着され、安定してベンゼン環数量体ＣｘＨｙに存在できる。
【００２６】
図５は、添加元素Ｍｅに生ずる電荷ＱMeの絶対値および符号（図中〇プロット）と吸着対象ガスである水素Ｈに生ずる電荷ＱHの絶対値および符号（●プロット）を示す。この場合も上記と同様に、両者に生ずる電荷ＱMeとＱHが異符号で絶対値が大きいほど、遠方まで作用するクーロン力による凝集力が大きい。
【００２７】
図６は、添加元素Ｍｅと吸着対象ガスである水素Ｈとの間の近傍で作用する共有結合力（共有結合電荷）すなわち両者間の固着力の大きさを示している。図中で結合力の値が正であれば両者間に引力が働き、負であれば反力が働く。結合力が大きな正の値であれば大きな固着力が得られる。
【００２８】
図５の凝集力および図６の固着力が大きいほど、吸着対象ガスである水素Ｈは添加元素Ｍｅに強く凝集および固着され、多量の水素Ｈの吸着が可能になる。
【００２９】
図３〜図６に示した種々の添加元素Ｍｅについての計算結果を上記の観点から総合的に判断した結果、カーボンナノチューブの水素吸着能の向上にとって、添加元素ＭｅとしてＲｈ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｍｇが特に有効であるとの予測を得た。
【００３０】
これらの元素を添加したカーボンナノチューブは、無添加のカーボンナノチューブに比べて２倍程度水素吸着能が向上することも実験により確認した。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、効率的に開発を進められるように、実際に他元素添加カーボンナノチューブの作製およびガス吸着能の測定を行なう前に、種々の他元素についてガス吸着能に対する添加効果を予め予測する方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、カーボンナノチューブの立体構造を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明による計算に用いるベンゼン環数量体モデルの一例を示す（Ａ）正面図および（Ｂ）平面図である。
【図３】図３は、図２のモデルを用いて計算した添加元素Ｍｅの電荷（〇）とベンゼン環数量体ＣｘＨｙ種々の電荷（●）との対応を示すグラフである。
【図４】図４は、図２のモデルを用いて計算したベンゼン環数量体ＣｘＨｙに対する添加元素Ｍｅの固着力を示すグラフである。
【図５】図５は、図２のモデルを用いて計算した添加元素Ｍｅの電荷（〇）と水素Ｈの電荷（●）との対応を示すグラフである。
【図６】図６は、図２のモデルを用いて計算した水素Ｈに対する添加元素Ｍｅの固着力を示すグラフである。
Claims (2)
- カーボンナノチューブに添加した他元素によるガス吸着能の向上効果を予測する方法であって、
ベンゼン環数量体ＣｘＨｙの近傍に添加元素Ｍｅの原子および吸着対象ガスＧの分子または原子を配置した構造モデルを用い、ベンゼン環数量体ＣｘＨｙと添加元素Ｍｅと吸着対象ガスＧとの相互作用によってこれら３者の各々に生ずる電荷と、ベンゼン環数量体ＣｘＨｙと添加元素Ｍｅとの間および添加元素Ｍｅと吸着対象ガスＧとの間にそれぞれ働く結合力とを、それぞれ量子力学計算により求め、上記各電荷の符号および絶対値と上記各結合力とに基づき、上記ガスの吸着能に対する添加元素による向上効果を予測する方法。 - 構造モデルの中心位置のベンゼン環の幾何中心から真上に、添加元素Ｍｅの原子半径＋Ｃの原子半径だけ離れた位置に添加元素Ｍｅを配置することを特徴とする請求項１記載の方法。
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| JP2002283723A JP4154978B2 (ja) | 2002-09-27 | 2002-09-27 | 他元素添加カーボンナノチューブのガス吸着能の予測方法 |
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| JP2002283723A JP4154978B2 (ja) | 2002-09-27 | 2002-09-27 | 他元素添加カーボンナノチューブのガス吸着能の予測方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004117284A JP2004117284A (ja) | 2004-04-15 |
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